Neue Forschungsergebnisse des MIT bringen das aufstrebende Gebiet der Ionotronik voran, in dem Daten über Ionen übertragen werden, was möglicherweise eine Brücke zwischen Elektronik und biologischem Gewebe schlagen könnte. Betrachten wir den Hauptunterschied zwischen lebenden Systemen und Elektronik: Erstere sind in der Regel weich und nachgiebig, während Letztere hart und starr sind. In einer Arbeit, die Auswirkungen auf Mensch-Maschine-Schnittstellen, biokompatible Geräte, weiche Robotik und vieles mehr haben könnte, haben Ingenieure des MIT und ihre Kollegen nun ein weiches, flexibles Gel entwickelt, dessen Leitfähigkeit sich bei Lichteinwirkung drastisch verändert.
Hier kommt das wachsende Gebiet der Ionotronik ins Spiel, bei dem Daten über Ionen, also geladene Moleküle, übertragen werden. Die Elektronik tut dasselbe, allerdings mit Elektronen. Doch während letztere bereits fest etabliert ist, befindet sich die Ionotronik noch in der Entwicklung – mit einer großen Ausnahme: lebende Systeme. Die Zellen in unserem Körper kommunizieren mit einer Vielzahl von Ionen, von Kalium bis Natrium. Die Ionotronik kann wiederum eine Brücke zwischen Elektronik und biologischem Gewebe schlagen. Mögliche Anwendungsbereiche reichen von weicher Wearable-Technologie bis hin zu Mensch-Maschine-Schnittstellen.
„Wir haben einen Mechanismus entdeckt, mit dem sich die lokale Ionenkonzentration in einem weichen Material dynamisch steuern lässt“, sagt Thomas J. Wallin, John F. Elliott Career Development Professor am Institut für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik des MIT und Leiter der Forschungsarbeit. „Das könnte ein System ermöglichen, das sich selbst an Umweltreize anpasst, in diesem Fall an Licht.“ Mit anderen Worten: Das System könnte sich automatisch als Reaktion auf Lichtveränderungen anpassen, was eine komplexe Signalverarbeitung in weichen Materialien ermöglichen würde.
Ein wachsendes Forschungsgebiet
Zwar haben andere Forscher bereits ionotronische Materialien mit hoher Leitfähigkeit entwickelt, die eine schnelle Bewegung von Ionen ermöglichen, doch lassen sich diese Leitfähigkeiten nicht steuern. „Wir nutzen Licht, um ein weiches Material von einem isolierenden in einen Zustand zu versetzen, der 400-mal leitfähiger ist“, erklärt Xu Liu, Erstautor der Studie und ehemaliger Postdoktorand im Bereich Materialwissenschaft und Werkstofftechnik am MIT, der nun als Assistenzprofessor am King’s College London tätig sein wird.
Schlüssel zu dieser Arbeit ist eine Materialklasse, die als Photo-Ionen-Generatoren (PIGs) bekannt ist. Diese können bei Lichteinwirkung etwa 1.000-mal leitfähiger werden. Das MIT-Team entwickelte ein Verfahren zur Einarbeitung eines PIG in Polyurethan-Kautschuk, indem es zunächst ein PIG-Pulver in einem Lösungsmittel auflöste und es dann mithilfe einer Quellmethode in den Kautschuk einbrachte.
Großes Potenzial
Bei dem in der aktuellen Arbeit beschriebenen Material ist die Veränderung der Leitfähigkeit irreversibel. Liu ist jedoch zuversichtlich, dass zukünftige Versionen zwischen isolierendem und leitendem Zustand hin- und herwechseln könnten.
Sie weist darauf hin, dass das aktuelle Material unter Verwendung nur einer einzigen Art von PIG, Polymer (dem Polyurethan-Kautschuk) und Lösungsmittel entwickelt wurde, es jedoch viele weitere Varianten aller drei Komponenten gibt. Daher besteht großes Potenzial für die Entwicklung noch besserer lichtempfindlicher weicher Materialien.
Liu weist auch auf das Potenzial hin, weiche Materialien zu entwickeln, die auf andere Umweltreize wie Wärme oder Magnetismus reagieren. „Wir sind motiviert, weitere Arbeiten auf diesem Gebiet durchzuführen, indem wir die Antriebskraft von Licht auf andere Formen von Umweltreizen umstellen“, sagt sie.
„Unsere Arbeit hat das Potenzial, zur Entstehung eines Teilgebiets zu führen, das wir als ‚Soft Photo-Ionotronics‘ bezeichnen“, fährt Liu fort. „Wir sind auch sehr gespannt auf die Möglichkeiten, die sich aus unserer Arbeit ergeben, neue weiche Maschinen zu entwickeln, die Einfluss auf weiche Wearable-Technologie, Mensch-Maschine-Schnittstellen, Robotik, Biomedizin und andere Bereiche haben.“
